Океанология, 2021, T. 61, № 5, стр. 831-837

ВВЕДЕНИЕ

Поровая (интерстициальная) вода и донные осадки представляют собой целостную систему, химический состав которой формируется под действием природных факторов окружающей среды, зависит от свойств пород и отложений, а также отвечает за миграцию органических и неорганических компонентов, возникновение повышенных рудных концентраций рассеянных элементов и фильтрационные характеристики осадочных толщ [1, 2, 17, 19, 22]. Взаимодействие поровой воды с осадком определяет потоки и преобразование вещества в системе “вода–осадок”, а в совокупности – диагенез и формирование осадочных пород.

В прибрежной зоне моря Лаптевых широко распространены подводные многолетнемерзлые породы [9–11, 23], деградация которых в большей степени связана с эндогенными процессами: дегазацией дна, сейсмической активностью на шельфе, потоками геотермальной энергии [4–7, 25]. В качестве основного экзогенного механизма таяния подводной мерзлоты и формирования таликов рассматривается поступление в пресные толщи морской воды (“солевой эффект”) [3, 7, 14, 15, 18]. Количественная оценка ионного состава поровых вод является информативным параметром для характеристики геологических и геохимических процессов, таяния подводной мерзлоты в рассматриваемой системе шельфа Арктики.

Метод прессования, заключающийся в выделении воды под высоким давлением с использованием металлической поршневой конструкции, широко применяется для выделения поровых вод из широкого спектра типов осадков и пород, в том числе с низким содержанием влаги [20, 21]. Однако прессование приводит к деформации твердой фазы и механическому разрушению клеток биоты, населяющей донные осадки. Это способствует переходу отдельных элементов и органического вещества в водную фазу, что может значительно искажать результаты анализов. Методы центрифугирования и вакуумной экстракции пригодны для выделения поровой воды из тонкодисперсных осадков с высоким содержанием влаги, поэтому их применение весьма ограничено. Широкое применение в практике нашел метод прямого сбора воды из осадков шприцем с фильтром (Rhizon sampling), который отличается простотой работы [24]. Тем не менее, такой подход не дает объективной картины количественного состава растворенных в поровой воде компонентов и также пригоден для работы только с осадками высокой влажности. Как и в случае прессования, здесь отсутствует контроль давления, и количественный выход поровой влаги зависит от литологического состава и исходной влажности осадков. Целью настоящей работы является сравнительная характеристика методов прессования и водной экстракции по изменению концентрации катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺) и анионов (Cl^– и S${\text{O}}_{4}^{{2 - }}$) в поровой воде донных отложений прибрежно-шельфовой зоны моря Лаптевых для оценки влияния криогенных процессов на состав и свойства толщ отложений, установления закономерностей вертикального распределения макроионов в поровой воде при различных способах ее выделения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом для исследования послужили пробы донных отложений и многолетнемерзлых пород из кернов скважин 2D-13 и 1D-14, пробуренных в полярно-ледовых экспедициях в западной части губы Буор-Хая в 2013 и 2014 гг. соответственно [16]. Анализ концентрации катионов и анионов выполнен в образцах поровой воды, выделенной прессованием, а также в водных вытяжках. Поровую воду из осадков отжимали в экспедиционных условиях на титановом прессе с помощью гидравлического домкрата. Мерзлые отложения перед прессованием размораживались при комнатной температуре. Каждую пробу отжатой воды переносили в светонепроницаемую емкость, маркировали, помещали в холодильник и транспортировали в лабораторию для выполнения анализов. Пробы донных отложений для водных вытяжек отбирали в пластиковые пакеты с застежкой, замораживали и транспортировали в лабораторию в замороженном виде. Водные вытяжки получали в соответствии с РД 52.18.572-96 в отжатых на прессе и интактных пробах. Высушенную до постоянной массы пробу осадка (примерно 15 г) помещали в колбу и добавляли 150 мл деионизованной воды. Содержимое колбы перемешивали в течение 15 мин на аппарате для встряхивания Vortex Genius 3 (IKA, Германия) и центрифугировали в течение 15 мин при скорости вращения 5500 об./мин на центрифуге 5702R (Eppendorf, Германия).

Анализ концентрации Cl^– и S${\text{O}}_{4}^{{2 - }}$ выполнен методом ионообменной хроматографии на анализаторе DIONEX ICS-5000 (Termo Scientific, США) с использованием колонки и предколонки PAX-100. Элюент – раствор карбонатного буфера Na₂CO₃/NaHCO₃ (3.1/3.9 ммоль/л) в смеси с ацетонитрилом в концентрации 5%, детектирование кондуктометрическое. Концентрацию Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺ определяли методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии на анализаторе Solaar M (Termo Scientific, США) в смеси ацетилен–воздух. Аналитические длины волн составили 766.5; 589.0; 422.7 и 285.2 нм для K⁺; Na⁺; Ca²⁺; и Mg²⁺ соответственно. В случае водных вытяжек конечные результаты пересчитывали с учетом разведения проб и естественной влажности. Анализ влажности выполнен на приборе MOC-120H (Shimadzu, Япония).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследованные талые и многолетнемерзлые отложения представлены мелко- и среднезернистыми песками и алевритами с низким вкладом тонкодисперсной фракции (табл. 1). Обнаруженные в составе буровых кернов включения растительных остатков, грубообломочного материала и мхов наряду с выраженной литолого-фациальной дифференциацией толщ указывают на разнообразие природных обстановок и механизмов осадконакопления в губе Буор-Хая, что подтверждено геологическими, литологическими и органо-химическими данными [8, 12, 13, 16]. Ранее было установлено, что вертикальный профиль концентрации макроионов в отложениях губы Буор-Хая весьма неоднороден, сформировался под влиянием таяния подводной мерзлоты, гидродинамических условий и связан с литологическим составом толщ [15]. По сравнению с практически пресными мерзлыми толщами талые отложения характеризуются наличием неоднородных областей высокой солености, свидетельствующих об изменчивости поступления морской воды и распределения ионов.

Сравнительный анализ состава поровой воды показал заметные расхождения в концентрации макроионов в отжатой прессованием воде по сравнению с водной вытяжкой из интактных и прессованных проб, достигающие порядковых значений на отдельных горизонтах (табл. 2–3). Для большинства вытяжек талых образцов, характеризующихся высокой соленостью, измерены более высокие по сравнению с прессованием концентрации Na⁺, K⁺, S${\text{O}}_{4}^{{2 - }}$ и Cl^– в пересчете абсолютное содержание воды в осадке (исключение – горизонт 190 см скважины 1D-14). Для S${\text{O}}_{4}^{{2 - }}$ эта разница достигает порядковых значений. Мерзлые отложения, в свою очередь, накапливались в пресноводных и/или субаэральных условиях и характеризуются низкой соленостью интерстициальной воды. Концентрация макроионов в них на несколько порядков ниже по сравнению с талыми горизонтами и не позволяет надежно судить об изменениях в химическом составе поровой воды при разных способах выделения. Надежно оценить влияние дисперсности отложений на концентрацию ионов в поровой воде также затруднительно, поскольку при гидрохалинном таянии мерзлоты заметно меняется соленость интерстициальной воды при постоянстве литологического состава отложений. Тем не менее, общий тренд пониженной концентрации макроионов в отжатой на прессе из многолетнемерзлых пород воде сохраняется.

Подобные расхождения наблюдаются по ряду причин. Во-первых, это разница в исходных навесках проб. Для анализа водной вытяжки берется около 25 г влажного осадка, тогда как для выделения достаточного для анализа объема поровой воды на прессе требуется 100–200 г, из-за чего возникают погрешности при анализе. Во-вторых, при работе на прессе не учитывается давление, от которого зависит объем выделенной воды. Прессование позволяет выделить лишь подвижную слабосвязанную часть поровой воды, тогда как значительная часть ионов концентрируется в прочно связанной с поверхностью частиц отложений влаге. Поскольку вода отжимается при различном давлении, ее объем зависит от литологического типа осадка и естественной влажности, и концентрирование ионов в воде носит случайный характер.

Концентрация двухвалентных катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ при различных способах выделения поровой воды весьма вариабельна и не позволяет выделить общий тренд в расхождениях значений. Подобную вариабельность можно объяснить отличными от однозарядных катионов характеристиками, в частности величиной диаметра и аффинитетом к твердой матрице отложений. Более крупные двухзарядные катионы концентрируются преимущественно в крупных порах, и, в отличие от однозарядных, их проникновение в мелкие поры затруднено. Кроме того, катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ склонны к образованию комплексных соединений с участием лигандов органической и неорганической природы, содержащихся в поровой воде, что затрудняет их миграцию в поры малого размера.

Сравнение концентрации макроионов в отжатой поровой воде с водными вытяжками из отжатых и интактных образцов на примере скважины 2D-13 также выявило заметные расхождения в результатах анализа (рис. 1, табл. 3). Для Na⁺ измерены наивысшие по сравнению с остальными катионами концентрации в талых образцах, что объясняется талассогенным протаиванием подводной мерзлоты [15]. Отжатая поровая вода отличается заниженной в разы концентрацией Na⁺ и K⁺ по сравнению с вытяжками. Если для Na⁺ разница между вытяжками из отжатых и интактных проб незначительная, то катионами K⁺ более обогащенными оказались отжатые осадки. Подобное концентрирование K⁺ в отжатых пробах, вероятно, связано с отличной от Na⁺ химической подвижностью катионов в воде.

Рис. 1.

Диаграммы концентрации макрокатионов в поровой воде при различных методах пробоотбора. (а) – катионы Na⁺; (б) – катионы K⁺; (в) – катионы Ca²⁺; (г) – катионы Mg²⁺. 1 – вода, отжатая прессом; 2 – водная вытяжка из интактной пробы; 3 – водная вытяжка из отжатой пробы.

Иная картина выявлена при анализе двухзарядных катионов. Для талых образцов концентрация Ca²⁺ и Mg²⁺ в отжатой прессом воде заметно выше по сравнению с водными вытяжками как из интактных, так и отжатых проб (рис. 1), что не согласуется с результатами анализа образцов из скважины 1D-14. При этом в мерзлых пробах поведение двухвалентных катионов различается: для Mg²⁺ характерны гораздо более высокие концентрации в водных вытяжках из отжатых на прессе проб по сравнению с интактными образцами и прессованной водой, чем для Ca²⁺. Можно предположить, что подобная вариабельность в образцах из двух разных скважин связана с различиями литологического состава отложений, а также определяется гидрологическим режимом и выраженной сезонностью литодинамики в исследованной части моря Лаптевых [10]. В целом, среди основных факторов, от которых зависит ионный состав поровых вод, следует выделить литологический тип осадков, размерность частиц, естественную влажность, которые, в свою очередь, определяются региональной литодинамикой и гидрологическим режимом акватории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в настоящем исследовании данные выявили заметные расхождения в концентрации макроионов в поровой воде при различных методах ее выделения из донных осадков и многолетнемерзлых пород различного генезиса, заметно различающихся по литологическому составу. Установлено, что при прессовании донных осадков значительное количество растворенных в поровой воде солей остается в остаточной влаге. В большей степени это основные минеральные компоненты морской воды – Na⁺ и Cl^–, концентрирование которых в талых отложениях связано с гидрохалинной деградацией подводной мерзлоты. Подобная закономерность прослеживается и для K⁺, S${\text{O}}_{4}^{{2 - }}$. Вариабельность концентраций Ca²⁺ и Mg²⁺ в поровой воде при различных методах ее выделения весьма разнообразна, и общая закономерность в распределении этих катионов не прослеживается. Следует предполагать, что эта вариабельность связана с различиями в литологическом составе исследованных отложений и мерзлых грунтов, гидрологическом режиме и обстановках литогенеза в исследованной части губы Буор-Хая, а также связана с особенностями свойств и строения двухвалентных катионов.

Метод водных вытяжек по сравнению с прессованием, центрифугированием, вакуумной экстракцией отличается простотой отбора проб, количественно учитывает содержание естественной влаги в пробе. Универсальность такого подхода заключается в объективной оценке концентрации растворенных в поровой воде минеральных компонентов независимо от генезиса, литологического состава, содержания влаги и криогенного состояния исследуемых отложений. Использованная в настоящей работе методика водных вытяжек пригодна для количественной оценки ионного состава поровой воды в дисперсных отложениях и многолетнемерзлых пород при изучении “солевого эффекта” таяния субаквальной криолитозоны.

Источники финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 19-77-10044) в рамках темы госзадания ИО РАН № 0128-2021-0005. Методики анализа проб разработаны в рамках темы госзадания ИХ ДВО РАН № 0205-2021-0002.